宽光谱绒面结构Mg和Ga共掺杂ZnO薄膜生长及应用研究

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透明导电氧化物(TCO)薄膜是硅基薄膜太阳电池的重要组成部分，其应在较宽的光谱范围(λ~320nm-1100nm)内具有较高的透过率，同时具有较低的电阻率和较高的光散射能力。氢化Ga和Mg共掺杂ZnO(HMGZO)薄膜，由于Mg的掺杂，有效地展宽了HMGZO薄膜的光学带隙(Eg)，可达~3.66eV，而Ga和H的引入提高了薄膜电阻率，使得电阻率达到10-4Ωcm量级。据文献报道，获得的MGZO薄膜的表面较为平整，且光电性能仍有提升空间。本论文主要研究并优化获得了具有一定表面粗糙度的绒面结构 HMGZO薄膜，详细研究了薄膜的光电性能及光散射特性等，并将宽光谱绒面结构 HMGZO薄膜应用于硅基薄膜太阳电池。主要研究内容及结果如下：
　　首先，研究并优化沉积参数（如：H2流量，衬底温度和Ga含量等），获得了具有一定表面粗糙度的HMGZO薄膜，并将优化的HMGZO薄膜应用于非晶硅太阳电池。H2能够调节薄膜的电学特性，较高的衬底温度和适当的厚度有助于提高薄膜表面粗糙度；采用衬底固定在整体辉光区域正上方的生长方式，可以提高HMGZO薄膜的结晶质量。在Ga和Mg含量分别为2.0wt％和4.0wt%，衬底温度为280℃，及 H2流量为4.0sccm时，采用衬底固定在整体辉光区域正上方的生长方式，获得了高质量的HMGZO薄膜：电阻率~8.89×10-4Ωcm，电子迁移率~20.9cm2/V·s，350nm-1100nm波长范围内平均透过率达82.3%，光学带隙Eg~3.87eV。将HMGZO薄膜应用于非晶硅薄膜电池，明显增加了电池短路电流密度，提高了电池效率。
　　其次，直接生长获得的 HMGZO薄膜表面粗糙度较小，光散射能力较弱。为提高 HMGZO薄膜的绒度，我们采用了两种研究思路：1）采用稀盐酸(HCl)溶液对 HMGZO薄膜进行湿法刻蚀处理。主要研究了腐蚀时间、腐蚀剂浓度和薄膜厚度等参数对薄膜表面腐蚀特性的影响，在HCl浓度为0.1%，腐蚀时间为75s时，HMGZO薄膜在波长λ~800nm处的Haze值达到了37.88%，方块电阻为17.61Ω；2）采用蒙砂刻蚀法对平面玻璃（超白玻璃）表面进行湿法腐蚀处理，从而获得微米级尺寸弹坑状结构，其横向尺寸范围为~8至25μm。当抛光次数(x)为1时，玻璃的表面粗糙度(RMS roughness)达到409.0nm，在400nm-1100nm的波长范围内绒度(Haze)值~80%。在绒面玻璃上生长的 HMGZO薄膜有效保持了玻璃的织构化特征，HMGZO/textured glass呈现出较高的绒度值。此外，将优化的绒面玻璃/HMGZO薄膜应用于非晶硅薄膜电池。相比于平面玻璃/HMGZO薄膜，绒面玻璃/HMGZO薄膜明显地提高了电池的光电转化效率，其中主要提高了短路电流密度(Jsc)，这是由于其具有较高的光散射能力造成的。
　　最后，为改善 HMGZO薄膜的晶粒尺寸和光散射特性，研究了多层结构薄膜 Glass/ITO(Sn掺杂 In2O3)/HMGZO、Glass/BZO(B掺杂 ZnO)/HMGZO及Glass/HMGZO/BZO的光电特性。ITO和 BZO缓冲层的加入有助于提高薄膜的晶粒尺寸及光散射特性，而BZO薄膜作为表面修饰层，对HMGZO薄膜的表面进行了结构修饰。当ITO缓冲层厚度为110.7nm时，薄膜的晶粒尺寸~500nm。

著录项

作者
刘杰铭;
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作者单位

南开大学;

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授予单位南开大学;
学科微电子学与固体电子学
授予学位硕士
导师姓名陈新亮;
年度 2015
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类结构;
关键词
ZnO薄膜; 绒面结构; 薄膜太阳电池; 导电氧化物; 光散射能力; 光电性能;

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